COMMANDER UNE ORTHOPHOTOGRAPHIE NUMÉRIQUE

 

L’orthophotographie, encore appelée orthophotoplan, fait partie des données géographiques de base. Elle est souvent utilisée en complément d’un référentiel géographique comme le plan parcellaire. L’orthophotographie ne présente pas la même information, mais elle montre nombre de détails ne figurant pas sur les plans, et peut apporter une représentation géométrique dont l’exactitude est connue.

De la photo aérienne à l’orthophotographie.

L’inconvénient majeur de la photo aérienne non redressée réside dans son inexactitude géométrique. En effet, les parties les plus proches du sujet photographié apparaissent plus grandes. En conséquence, les zones en relief d’un territoire photographié (hauteur d’une colline par exemple) seront restituées à une échelle différente de celle du fond de la vallée.

Une photographie aérienne doit donc être rectifiée pour présenter une échelle constante sur toute sa surface, de manière à ce que l’image corresponde à sa projection sur le plan horizontal, ce qui est le cas de la carte et du plan.

La rectification consiste à diminuer la taille des éléments d’image représentant les éléments de terrain trop proches de l’appareil de prise de vue. Le calcul de la rectification ou orthorectification, nécessite donc de connaître la distance réelle entre tous les points du territoire photographié et l’objectif de l’appareil photo.

Cette opération est effectuée à l’aide d’une description informatique du terrain, appelée modèle numérique de terrain ou M.N.T. Ce M.N.T. est réalisé à partir de la connaissance du relief, notamment à partir de couples stéréoscopiques de photographies aériennes (cf. fiche CNIG N°46).

Comme toutes les opérations sont maintenant réalisées à l’aide de l’informatique, l’orthophotographie est constituée d’un ou de plusieurs documents fichiers numériques. L’orthophotographie est visualisée à l’aide d’un poste de travail informatique ou après impression sur une imprimante ou un traceur.

Les différentes orthophotographies.

Deux orthophotographies similaires à première vue peuvent présenter des caractéristiques et un coût très différents. À l’inverse, une même orthophotographie peut convenir à tel utilisateur, et se révéler inutilisable pour d’autres.

L’orthophotographie n’est pas un produit normalisé, elle est le résultat des techniques maîtrisées par son producteur.

La précision constitue le premier descripteur – détaillé plus loin - de l’orthophotographie, car son prix en découle directement. La précision du M.N.T. utilisé pour l’orthorectification constitue un autre critère de premier rang. La nature du redressement effectué pour les détails situés au niveau du sol peut enfin être plus ou moins complète. Le redressement d’objets verticaux n’est généralement pas effectué : les bâtiments situés en bordure du cliché sont photographiés avec un petit angle de prise de vue qui permet de voir la façade située du côté de l’objectif de l’appareil ; de même une partie du terrain situé derrière le bâtiment reste cachée. Il existe des techniques et des fournisseurs qui offrent une rectification complète de la photographie aérienne.

L’acquisition d’une orthophotographie doit donc faire l’objet d’une description précise quant au résultat attendu, plus particulièrement dans le cas d’un appel d’offres qui ne permet pas toujours la comparaison du résultat produit. Les fournisseurs utilisent en outre leurs propres critères de description, ce qui ne facilite pas les comparaisons.

Enfin, le recours à la photographie numérique modifie la chaîne de production, supprimant des paramètres traditionnellement utilisés pour décrire l’orthophotographie (c’est le cas de la taille du négatif qui est remplacé par un capteur).

Certains producteurs ont réalisé des orthophotographies qui peuvent être achetées «sur étagère» (comme par exemple le produit BD ORTHO de l’IGN), ce qui permet un examen préalable. Ces prestataires spécialisés peuvent également réaliser une orthophotographie sur commande, ce qui implique une description précise du résultat souhaité. L’application du Code des marchés publics peut mettre en concurrence des produits réalisés selon des processus très différents, rendant la comparaison difficile avant la réalisation.

L’objectif de la présente fiche est d’apporter les éléments utiles à l’acheteur pour la préparation de la commande.

La spécification d’une orthophotographie.

La photographie aérienne argentique est la plupart du temps caractérisée par sa colorimétrie (noir & blanc - ou panchromatique dans le langage technique – ou couleur, exceptionnellement infrarouge) et par deux autres paramètres : l’échelle, et la résolution. L’orthophotographie introduit un paramètre de plus : l’exactitude géométrique.

L’échelle.

L’échelle d’une photo aérienne (argentique) n’est pas celle de l’agrandissement mais celle du cliché initial, c’est à dire du négatif. Ce document originel mesure 23 cm de côté avec une résolution photographique qui dépend de la qualité de l’objectif photographique mais qui atteint couramment 15 µm (15 microns soit 15 millième de millimètre). L’expérience a conduit les producteurs de photos aériennes à choisir une échelle du négatif proportionnelle à l’échelle de l’usage qui en sera fait plus tard. Le coefficient utilisé varie de 3 à 5, ce qui veut dire qu’un cliché négatif présentant le terrain à l’échelle du 1/30 000 pourra servir à créer ou à compléter une carte au 1/10 000. Le coefficient est plus élevé en photographie noir & blanc qu’en couleur.

Cette caractéristique ne doit pas être invoquée dans le cas d’une prise de vue avec un appareil de photographie numérique qui ne génère pas de cliché. L’appareil de photographie numérique utilise un capteur constitué d’une grille de cellules photosensibles qui peuvent avoir des tailles différentes. Il n’y a pas création d’image réelle, mais enregistrement d’une séquence de données permettant de reconstituer l’image dans une étape ultérieure.

La résolution.

·         La résolution en photographie argentique est la dimension du plus petit détail que l’on peut observer. Elle se mesure par photographie de mires composées d’une collection de traits d’épaisseur décroissante. Une résolution de 15 µm, sur le négatif à l’échelle de 1/30 000, permet donc de distinguer un détail de 0,45 m (45 cm).

Il y a, à cette étape de la chaîne de production argentique, correspondance entre la finesse des détails observables de l’image, et l’échelle du négatif, ce qui explique que l’une des caractéristiques d’une photo aérienne argentique, est mesurée par l’échelle.

·         Dans le cas d’une prise de vue numérique, la résolution est entendue comme la possibilité de différencier des objets sur l'image. Elle s’apprécie en pixels (voir ci-dessous). Cette caractéristique est très variable selon le type de donnée maillée. Elle sera dépendante du contraste entre deux objets limitrophes, et de leur forme : on peut voir sur une image à maille au sol de 0,50 m la signalisation horizontale sur une route, alors qu'elle a une largeur bien inférieure à la maille. A l'inverse, la frontière entre deux objets ne présentant qu'un faible contraste, et aux limites non régulières, ne pourra être déterminée qu'avec au moins deux mailles.

Le pixel.

Une troisième caractéristique apparaît avec les techniques numériques : le pixel.

Le scannage de la photographie transforme l’image en une grille de carrés de couleur unie, généralement appelés pixel (pour picture element, élément de l’image). Ces données sont également appelées «maillées» et sont enregistrées dans des documents fichiers raster (voir la fiche « Maîtrise d’ouvrage CNIG » n° 36 Fichiers raster et données maillées, avril 2000). L’appareil photographique numérique produit, quant à lui, directement le document fichier raster.

L’appréciation de la finesse avec le pixel comme unité, est à utiliser avec précaution car elle peut avoir des significations différentes.

Cas d’un document fichier raster issu d’une prise de vue argentique.

La finesse de l’image scannée ne peut donc être déterminée par la taille de la maille que si une information est donnée simultanément sur la résolution de la photographie scannée.

Afin d’optimiser la taille en octets des documents fichiers, la dimension de la maille doit être adaptée à la résolution de la photographie initiale. Une maille (résolution numérique) égale à la moitié de la résolution photographique argentique peut être considérée comme un bon compromis. Avec l’exemple évoqué, le cliché de 23 cm, d’une résolution argentique de 15 µm, sera scanné avec une maille de 8 µm, soit une maille de 0,25 m au sol, ce qui correspond à une résolution numérique d’environ 200 dpi.

Figure 1. Agrandissement d’une orthophotographie à la maille de 0,25 m.

Cas d’un document fichier raster issu d’une prise de vue numérique.

L’ambivalence du pixel ne disparaît pas quand la prise de vue est effectuée avec un équipement numérique : la maille du document peut avoir été réduite (divisée par quatre, par exemple), quel qu’en soit le motif, entre la prise de vue et la livraison du document, sans modifier la finesse de l’image.

La résolution du fichier raster doit là aussi être accompagnée d’une information sur la résolution numérique du capteur (nombre de pixels par rangée)ses dimensions et les conditions de la prise de vue (altitude, etc…). En effet, une amélioration nominale de la résolution numérique de l’image peut avoir été effectuée en divisant les pixels, voire par un traitement l’image qui ne peut apporter aucune information supplémentaire.

 

Figure 2. Chaque pixel (à gauche) a été divisé par deux (à droite). La maille est plus petite, mais l’image est identique, n’apportant aucune information supplémentaire.

 

En conclusion, quatre caractéristiques sont à retenir pour décrire la précision d’une orthophotographie :

·         l’échelle de prise de vue du document original,

·         la résolution du support de prise de vue (film ou capteur numérique) et ses dimensions,

·         la taille, mesurée dans le monde réel, des plus petits objets discernables dans le lot de données concerné, cette taille devant correspondre au produit de l’échelle et de la résolution photographique du support de prise de vue (film ou capteur numérique),

·         la taille de la maille du lot de données fourni (mesurée en µm - conformément à la réglementation en vigueur - et facultativement en dpi ou points par pouces – unité de mesure anglo-saxonne).

Une correspondance devra être établie par l’utilisateur au moment de comparer des produits issus de techniques différentes.

L’exactitude géométrique

L’exactitude géométrique est aussi appelée précision géométrique.

Une orthophotographie peut avoir une maille de 0,50 m au sol, mais n'avoir une précision annoncée que de quelques mètres. Ce document peut être très utile dans le domaine de la communication institutionnelle, pour démontrer l’insertion d’un projet dans son environnement, etc., mais peut se révéler inutilisable dans d’autres cas : vérification de l’exactitude d’un plan, etc.

L’exactitude géométrique est obtenue par la poursuite du processus de fabrication : le tirage de la photo aérienne est scanné pour permettre son redressement par calcul.

Le redressement s’appuie sur une représentation numérique (informatique) du terrain communément appelé modèle numérique du terrain ou MNT La qualité du redressement est fonction de la précision géométrique ou exactitude du MNT et de la qualité des traitements informatiques effectués.

Cette qualité est mesurée de deux manières :

À titre d’exemple, l’IGN annonce, pour les fournitures de la BD ORTHO, une « E.M.Q » de 1 m, ce qui correspond à une tolérance de 3 m. La taille des pixels de ce produit est de 1 m au sol, en cohérence, donc, avec son exactitude.

Les autres spécifications.

D’autres spécifications peuvent être prévues pour la commande d’orthophotographies. Plusieurs normes concernent les orthophotographies. L’acheteur public doit les connaître, les organismes publics étant tenus respecter la normalisation.

La norme AFNOR NF Z 52000 (F) dite Norme EDIGéO

EDIGéO reconnaît l’orthophotographie comme un lot de données respectant un modèle conceptuel de données (MCD) de type matriciel. La norme définit deux types de structure de données matricielles : un premier type, la structure matricielle de valeurs réelles, et un second type, la structure matricielle de valeurs codées. L’orthophotographie s’inscrit dans cette 2ème catégorie : les valeurs élémentaires enregistrées correspondent à un code numérique qui représente une quantité ou une qualité, définie dans une table de codification, décrivant la valeur graphique du pixel.

Dans la pratique, le respect des spécifications du format TIFF assure le respect de la norme EDIGéO.

Les spécifications du format TIFF.

Il existe une centaine de formats et de sous-formats d’enregistrement et de sauvegarde des documents fichiers raster. L’acheteur précisera le format dans lequel il souhaite être livré, en fonction des outils dont il dispose. Les orthophotographies sous forme de fichiers raster peuvent être visualisées dans beaucoup d’outils de SIG, mais parfois à partir de formats spécifiques. La documentation des applications informatiques sera utilisée pour préciser le format souhaité.

TIFF est une marque (trademark) d’Aldus Corporation et désigne un format de fichier destiné à enregistrer une image de type raster, c’est à dire la reproduction d’une image au moyen d’une grille de points noirs ou blancs ou de couleur. C’est le format le plus répandu. Il est décrit par un document largement diffusé, la révision n° 6 du 3 juin 1992.

Les caractéristiques de l’image et du fichier sont décrites dans une succession de champs (fields) numérotés. Le numéro du champ est traditionnellement appelé «tag». Environ 75 champs sont définis par les spécifications. Par exemple le champ (tag) numéro 262 (PhotometricInterpretation) précise le type d’image (noir & blanc, les différents formats de couleur), le champ 256 la largeur de l’image en pixels et le champ 257 la hauteur... le champ 315 le nom de l’auteur... etc.

Plusieurs sous-formats correspondent à différents algorithmes de compression de l’image. Le plus utilisé a été défini par le comité consultatif international pour le téléphone et les télécommunications sous l’appellation de CCITT groupe 4 ou CCITT G4 et repris dans les spécifications TIFF.

Pratiquement tous les outils le reconnaissent. Pour les grandes images, une variante découpant l’image en «tuiles» sous l’appellation de compression « Tiled CCITT G4 » présente une plus grande efficacité mais n’est pas toujours implémentée dans les applications graphiques.

Les métadonnées.

Les métadonnées sont des «données qui renseignent sur la nature de certaines données et qui permettent ainsi leur utilisation pertinente». Les métadonnées ont pour but de documenter les données, afin de faciliter leur cohérence, leur réutilisation, les échanges entre partenaires, etc. Il s’agit là pour une bonne partie d’informations fondamentales dans le domaine de la géomatique : caractéristiques de l’orthographie notamment décrites ci-dessus, dates de production, système de référence utilisé, origine, etc.  Les normes apportent là une assistance pour le classement et la présentation de ces métadonnées.

Une norme européenne expérimentale a été publiée en 1998, la norme ENV 12657, et déclinée sur le plan national par un guide de mise en œuvre (XP ENV 12657). De son côté l’organisation de normalisation internationale poursuit l’élaboration de la norme ISO 15046-15.

L’acheteur aura intérêt à spécifier les métadonnées qu’il a besoin d’associer à son orthophotographie. Il s’agit là d’une réflexion qui prend sa place dans l’étude des besoins.

Les spécifications GeoTIFF.

Les spécifications TIFF ont prévu la possibilité de réserver des champs à des fins propres à l’utilisateur (private tags). Ce sont ces derniers qui sont utilisés par les spécifications de GeoTIFF pour enregistrer les métadonnées géographiques. Ces dernières respectent essentiellement les directives du comité fédéral des États Unis d’Amérique du Nord pour les données géographiques (FGDC). Les métadonnées décrivent les caractéristiques géométriques de l’image raster : système de projection utilisé, origine. L’organisation de ces métadonnées est particulière et les champs y sont spécifiquement dénommés «clés» (keys ou encore GeoKeys). Une quarantaine de champs définit ainsi les caractéristiques géométriques de l’image raster : système de projection, localisation, échelle, etc.

Conformément aux règles du format TIFF, l’utilisation de ces champs n’empêche pas la visualisation des images GeoTIFF par tout visualisateur standard de fichier TIFF. L’exploitation des métadonnées géographiques inscrites dans un fichier TIFF selon les spécifications GeoTIFF nécessite donc un programme ad’hoc et sont reconnues par un certain nombre d’applications pour SIG.

Dans le cas d’une commande, l’acheteur doit étudier l’intérêt d’une orthophotographie documentée selon les spécifications GeoTIFF. Là encore, la documentation de ses applications de SIG lui précisera si, et dans quelle mesure, ses propres outils reconnaissent ou non les métadonnées enregistrées au format GeoTIFF. L’acquisition d’une orthophotographie intégrant les métadonnées au format GeoTIFF peut cependant présenter un intérêt par rapport à l’acquisition ultérieure d’outils la reconnaissant.

Livraison

Deux aspects particuliers sont à souligner, le choix du système de projection et le volume des fichiers.

-          le choix du système de projection doit être clairement spécifié car il ne peut être changé facilement. En effet, contrairement aux fichiers vecteurs pour lesquels les changements de systèmes de projection sont assez bien gérés par les progiciels géomatiques, il n’en est pas de même pour les fichiers raster géoréférencés. Les angles de l’image correspondent à des coordonnées d’un système de projection terrestre, et les distances qui les séparent fournissent un nombre entier de fois la taille du pixel de l’image. Un changement de système de projection amènera des modifications des coordonnées des angles, puis par suite des distances entre ces angles, qui ne seront plus un multiple de la taille du pixel. On observe alors des écartements ou chevauchements de pixels dont la taille n’a pas varié.

-          le volume des fichiers doit être bien appréhendé au départ : il est considérable. Une orthophotographie sur un département, type BD ORTHO de l’IGN, représente 130 à 180 cédéroms. Des solutions de compression très efficaces existent, mais la livraison initiale doit être effectuée dans un format qui ne dégrade par le fichier origine.

Conseil National de l’Information Géographique
136 bis rue de Grenelle – 75700 PARIS 07SP

tél 01 43 98 83 12 - télécopie 01 43 98 85 66 - mél cnig@cnig.gouv.fr - http://www.cnig.gouv.fr
 
Conclusion

La commande d’une orthophotographie implique :

Les critères décrivant l’orthophotographie relèvent de :

§         l’échelle de prise de vue du document original,

§         la résolution du support de prise de vue,

§         la taille des plus petits objets discernables dans le lot de données,

§         la taille de la maille du lot de données,

§         l’erreur quadratique moyenne ou la tolérance,

Dans le cas d’une commande d’orthophotographies à réaliser, l’acheteur pourra préférer la procédure d’appel d’offre sur performance en décrivant le résultat attendu, portant notamment sur la taille des plus petits objets discernables.